PME 3344

Termodinâmica Aplicada12) Ciclos de Refrigeração

1

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

v.

3.0

Escola Politécnica da Universidade de São PauloCiclos de refrigeração

2

✴ A transferência de calor de compartimentos de baixa

temperatura para outros a temperaturas maiores é

chamada de refrigeração.

✴ Equipamentos que produzem refrigeração são chamados

de refrigeradores, e operam segundo um ciclo frigorífico.

✴ O fluido de trabalho dos refrigeradores são os refrigerantes.

✴ Os refrigeradores utilizados com o propósito de aquecer

um espaço fazendo uso do calor de um reservatório mais

frio são denominados bombas de calor.

Escola Politécnica da Universidade de São PauloRefrigerador e bomba de calor

3

TL

TH

Ref.

QH

QL

Refrigerador:

Wliq

TL

TH

B.C.

QH

QL

Bomba de calor:

Wliq

Efeito útil → QLEfeito útil → QH

Escola Politécnica da Universidade de São PauloCoeficientes de desempenho

4

Ciclo de refrigeração:

Bomba de calor:

Ciclo de refrigeração ideal (Carnot):

Bomba de calor ideal (Carnot):

L

H L

Q

Q Q

H

H L

Q

Q Q

L

H L

T

T T

H

H L

T

T T

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Ciclo de refrigeração por

compressão

Fluido de trabalho: fluido refrigerante

Evaporador

Compressor

Condensador

Trabalho

Calor

Calor

Válvula de expansão

5

Escola Politécnica da Universidade de São PauloFluidos refrigerantes

6

CFC: clorofluorcarbonos (camada de ozônio),

R11 e R12 (diclorodifluormetano CCl2F2).

HCFC: hidroclorofluorcarbonos

(camada de ozônio), R22. Vida

médiaHFC: Hidrofluorcarbonos (efeito estufa),

R134a.

Blends de HCFCs e HFCs: R401A.

Principais fluidos em uso:

R134a, R22, R410A, R404A, R290 (propano), R610a

(isobutano), R744 (CO2), R117 (amônia) e R729 (ar).

Blends de HFCs: R404A e R410A.

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Ciclo ideal de refrigeração por

compressão de vapor: Carnot

7

TurbinaCondensador

Evaporador

Calor

Calor

Compressor

WcWT

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Ciclo padrão de refrigeração

por compressão de vapor

8

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Ciclo padrão de refrigeração

por compressão de vapor

Processo 1-2: compressão isentrópica do fluido refrigerante.

Processo 2-3: transferência de calor a pressão constante para o

reservatório H.

Processo 3-4: expansão isentálpica.

Processo 4-1: transferência de calor a pressão constante do

reservatório L.9

Escola Politécnica da Universidade de São PauloDiagrama T-s: isentálpicas (H2O)

10http://commons.wikimedia.org/wiki/File:T-s_diagram.svg

Escola Politécnica da Universidade de São PauloDiagrama P-h: Mollier

11

1

23

4

Wc

Escola Politécnica da Universidade de São PauloAnálise do ciclo

12

Compressor:

Condensador:

Válvula de expansão:

Trocador de calor:

1a Lei Processo

s constante

P constante

h constante (Δs > 0)

P constante

2 1cW m h h

2 3HQ m h h

3 4h h

1 4LQ m h h

Escola Politécnica da Universidade de São PauloBomba de calor

13

Aquecimento

válvula

compressor

ventilador

ventilador

externo

interno

válvula

Resfriamento

ventilador

ventilador

válvula

compressor

interno

externo válvulalíquido a alta pressão

líq.+vapor a baixa pressão

vapor a baixa pressão

vapor a alta pressão

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

14

1) Considere um ciclo de refrigeração em cascata operando

entre os limites de pressão de 0,8 e 0,14MPa. Cada estágio

opera segundo um ciclo de refrigeração por compressão ideal

com R134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do ciclo

inferior ocorre em um trocador de calor contracorrente em que

ambas as correntes entram a 0,32MPa (na prática o fluido do

ciclo inferior entra no trocador de calor a uma pressão e

temperatura maiores para uma efetiva transferência de calor).

Se a vazão mássica no ciclo superior é de 0,05kg/s, determine

(a) a vazão mássica no ciclo inferior, (b) a taxa de transferência

de calor do espaço refrigerado e a potência fornecida aos

compressores e (c) o coeficiente de desempenho do ciclo em

cascata.

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

15

Solução

Hipóteses:

1. Regime permanente;

2. Variações de energia cinética e potencial desprezíveis;

3. Compressores adiabáticos reversíveis;

4. Trocador de calor adiabático (ambiente);

5. Válvulas de expansão isentálpica;

6. Perdas de carga desprezíveis (menos nas válvulas).

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

16

Solução

Esquema do ciclo

Estágio de alta

pressão

Estágio de baixa

pressão

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

17

Estado h / (kJ/kg) s / (kJ/kgK) x

1 239,16

2 255,93

3 55,16

4 55,16

5 251,88

6 270,92

7 95,47

8 95,47

Preencha os demais campos a título de exercício!

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

18

(a) 1a Lei para o trocador de calor:

8 2 5 3A B A Bm h m h m h m h

0,039kg/sBm

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

19

(b) 1a Lei para o evaporador B e para os compressores:

1 4L BQ m h h

7,18kWLQ

, ,

6 5 2 1

c c A c B

A B

W W W

m h h m h h

1,61kWcW

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

20

(c) Coeficiente de desempenho

Considerando um único ciclo (sem a cascata) o coeficiente de

desempenho seria de 3,97!

4,46L

c

Q

W

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

21

2) Considere um ciclo de refrigeração com remoção de gás de

“flashing” operando entre os limites de pressão de 0,8 e

0,14MPa. O fluido refrigerante R134a deixa o condensador

como líquido saturado, passa pela válvula e entra no tanque a

0,32MPa. Parte evapora durante o processo e esse vapor é

misturado com o refrigerante que deixa o compressor de baixa

pressão. A mistura é comprimida no compressor de alta. O

líquido da câmara passa por uma válvula e entra no evaporador.

deixando-o como vapor saturado Determine (a) a fração de

refrigerante que evapora na câmara (b) o calor removido do

espaço refrigerado e o trabalho fornecido aos compressores por

unidade de massa e (c) o coeficiente de desempenho do ciclo.

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

22

Solução

Hipóteses:

1. Regime permanente;

2. Variações de energia cinética e potencial desprezíveis;

3. Compressores adiabáticos reversíveis;

4. Câmara adiabática;

5. Válvulas de expansão isentálpica;

6. Perdas de carga desprezíveis (menos nas válvulas).

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

23

Solução

Esquema do ciclo

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

24

Estado h / (kJ/kg) s / (kJ/kgK) x

1 239,16

2 255,93

3 251,88

4 274,48

5 95,47

6 95,47

7 55,16

8 55,16

9 255,1

Preencha os demais campos a título de exercício!

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

25

(a) A fração é igual ao título na câmara, determinado a partir de h6

x6 = 0,2049

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

26

(b) Determinados pela aplicação da 1a Lei

6 1 81Lq x h h

146,3kJ/kgLq

6 1 2 9 41cw x h h h h

9 6 2 6 3com 1h x h x h

32,7kJ/kgcw

Escola Politécnica da Universidade de São PauloExercícios

27

(c) Coeficiente de desempenho

4,47L

c

Q

W

Compare também com o valor do ciclo em cascata do exercício

anterior: 4,46!

Como no exercício anterior, um ciclo sem a remoção do gás de

“flashing” teria um coeficiente de desempenho de 3,97.